МИСиС. Оценка эффективности способов и средств дегазации углеметановых пластов

https://mst.misis.ru/jour/article/view/143

Аннотация: Представлены результаты анализа перспективных способов и технических средств, обеспечивающих повышение эффективности дегазации углеметановых пластов при их подземной разработке. По результатам анализа выделены традиционные способы и средства дегазации, эффективность которых составляет 12–25 %, и нетрадиционные способы с эффективностью десорбции метана до 40 %. В качестве классификационного признака нетрадиционных способов и средств десорбции метана газа принято условие снижение давления и повышение температуры угольной матрицы твѐрдого газового гидрата. Выявлены условия перехода метана из газогидратного состояния в свободное с учѐтом реальных горнотехнических и техногенных условий шахт. Учитывая сложность подачи дополнительной тепловой энергии в угольный пласт, в качестве основного способа снижения давления в пласте принята разгрузка массива горных пород относительно исходного напряжѐнного состояния и дезинтеграция угля и пород при переходе от упругого их деформирования к упруго-пластичному и запредельному.

Введение:

Угольные месторождения в России и за рубежом являются, как правило, высокометаноносными, и при их разработке выделяется в среднем 18,6 м³ /т метана на тонну добытого угля [1–3], что является ограничением производительности современного высокопроизводительного оборудования. Обильное выделение метана в горные выработки при определѐнном сочетании горно-геологических, горнотехнических и организационных факторов приводит к возникновению инцидентов и опасных производственных газодинамических ситуаций в виде загазирований выработок, взрывов метановоздушных смесей.

Для эффективного управления взаимодействующими технологическими, геомеханическими и газодинамическими процессами современной угольной шахты требуется решение комплекса научных и практических задач, включающих разработку и реализацию технологических схем шахт, адаптивных к широкому диапазону горно-геологических и горнотехнических условий угольных месторождений и режимам работы высокопроизводительных технических устройств.

Разработке и реализации высокопроизводительных технологий подготовки и отработки углеметаноносных пластов посвящены работы многих учѐных и практиков, однако до сих пор не решены основные актуальные задачи: не доведены до практического применения теоретические исследования по высвобождению (десорбции) метана (достигнут коэффициент дегазации 0,12–0,40); не выявлена однозначно роль метана при внезапном выбросе угля как сложном физикохимическо-механическом явлении; не установлены параметры прорывов метана из пластов спутников, геологических нарушений, выработанного пространства. Перспективным направлением повышения интенсивности освобождения метана из угля, в том числе, из газогидратного состояния, является создание и реализация активных комбинированных способов дегазации, отличающихся поэтапной дезинтеграцией угля и снижением горного давления.

В этой связи назрела необходимость создания и реализации активных комбинированных способов и средств поэтапной дегазации неоднородного углепородного массива и выработанного пространства для обеспечения эффективной и безопасной подземной разработки высокогазоносных угольных пластов. Для этого проведена оценка эффективности традиционных технологий способов и средств дегазации углеметановых пластов с целью разработки, обоснования параметров и внедрения активных комбинированных способов и средств многостадийной дегазации неоднородного углепородного массива и выработанного пространства для эффективной и безопасной отработки углеметановых пластов.

Основная идея создания активных комбинированных способов и средств многостадийной дегазации углеметановых пластов состоит в использовании выявленных закономерностей взаимодействия технологических, газодинамических и геомеханических процессов в углепородном массиве для управления дезинтеграцией угольной матрицы, снижения в ней давления и обеспечения перехода метана из гидратного состояния в свободное с учѐтом реальных горнотехнических условий шахт.

Для достижения поставленной цели осуществляется решение следующих задач:

• синтез альтернативных вариантов активных комбинированных способов искусственной дезинтеграции угольных пластов для их многостадийной дегазации;
• выявление по результатам шахтных исследований закономерностей десорбции метана в широком диапазоне горногеологических и горнотехнических условий угольных шахт;
• выявление по результатам численного моделирования и шахтных экспериментов эффективных вариантов активных комбинированных способов многостадийной дегазации неоднородного углепородного массива;
• обоснование технологических параметров и реализация активных комбинированных способов и средств многостадийной дегазации высокогазоносных угольных пластов.

Методы исследования. Анализ эффективности традиционных способов и средств дегазации шахт; шахтные эксперименты; численное моделирование взаимодействующих технологических, газодинамических и геомеханических процессов; статистическая оценка и ранжирование вариантов активных комбинированных способов многостадийной дегазации; синтез вариантов технологических схем для подготовки и отработки углегазовых пластов.

Результаты исследования. По результатам анализа эффективности традиционных способов и средств дегазации угольных пластов [1, 3–5] установлено следующее:

• годовой объѐм извлекаемого метана в период 1990–2009 гг. в Кузбассе средствами дегазации составил 60–330, газоотсоса 120– 410, вентиляции 470–600 млн м³ в год;
• доля шахт, применяющих пластовую дегазацию в период 1990–2009 гг. в Кузбассе, составила 0,18–0,33; дегазацию выработанного пространства – 0,21–0,28; газоотсос – 0,28–0,39;
• эффективность дегазации на шахтах Кузбасса составляет 3–44 % и в среднем не превышает 28 %;
• наиболее эффективными являются комбинированные способы дегазации, например, одновременное применение газоотсоса и дегазации позволяет достичь значения коэффициента дегазации 0,55, а только дегазации в аналогичных условиях – 0,28;
• применение комбинированных схем проветривания обеспечивает достижение коэффициента дегазации 0,55;
• использование пробуренных с земной поверхности скважин обеспечивает максимальное извлечение метана, коэффициент дегазации достигает 0,85, а пластовой дегазации в этих же условиях – 0,20.

Приведѐнные показатели извлечения метана разными способами подтверждают не только относительно низкую эффективность способов и средств дегазации углеметановых пластов, но и отсутствие методов прогноза параметров метановыделения в конкретных горно-геологических и горнотехнических условиях, так как проектные и фактические значения коэффициента дегазации отличаются в 2–3–раза. Для разработки новых методов прогноза параметров дегазации необходимо выявить и использовать закономерности адсорбции и десорбции метана, дезинтеграции угольной матрицы под влиянием давления и температуры выше равновесных параметров газогидратов, что обеспечивает переход метана из гидратного в свободное состояние с учѐтом реальных горнотехнических условий шахт.

В качестве альтернативных вариантов активных комбинированных способов многостадийной дегазации неоднородного углепородного массива рассмотрены следующие воздействия на угольный массив: электроимпульсное, периодическое плазменноимпульсное, виброволновое, расчленение флюидом, вакуумирование и др. [6, 7, 11, 12].

Теоретические основы формирования углеметановой матрицы изложены в работах [10, 13, 16]. Согласно результатам этих исследований газ в угольном пласте может быть в трѐх формах: свободный газ в поровом и трещинном пространстве угля или пород; метан в адсорбированном или газогидратном состояниях. Газогидраты – это твѐрдые кристаллические вещества, включающие молекулы воды и газа.

Диаграмма состояния твѐрдых углегазовых растворов (ТУГР) представлена на рис. 1.

Рис. 1 Диаграмма состояния метана в угольной матрице [18]

Согласно диаграмме переход метана из твѐрдых углегазовых растворов и адсорбированного состояния в газообразное возможен при снижении давления и повышении температуры угольной матрицы. Возможность повышения температуры углеметановых пластов ограничена в шахте требованиями пожарной безопасности и санитарногигиеническими условиями [19, 20]. Поэтому основным параметром, обеспечивающим интенсификацию перехода метана в газообразное состояние, является снижение механических напряжений, которое сопровождается распадом ТУГР и увеличением давления метана в природных и техногенных трещинах. Существует несколько гипотез перехода метана в газообразное состояние и миграции его по трещинам и порам, однако эффективность реализации этих механизмов на практике не всегда подтверждается [5, 9, 11, 12, 14–16]. 

На рис. 2 приведены результаты численного моделирования распределения вертикальных и горизонтальных напряжений после отработки трѐх выемочных участков в условиях Ерунаковского месторождения Кузбасса. Мощность отрабатываемого пласта 1 равна 2,48 м, надрабатываемого пласта 1 * и подрабатываемого пласта 2 при моделировании принята равной 2 м. 

Рис. 2. Вертикальные (красные) и горизонтальные (синие) линии напряжения (МПа) в зоне влияния выработанного пространства трѐх выемочных участков

На рис. 3 показан фрагмент рис. 2 в виде выреза в крупном масштабе с целью детального описания характера распределения напряжений в массиве горных пород окрестности вентиляционного штрека 1–4, конвейерного штрека 1–3 и очистного выработанного пространства выемочного участка 1-3. Знаки напряжений на рис. 2 и 3 следующие: сжатие σ < 0; растяжение σ > 0.

Рис. 3. Вертикальные (красные) и горизонтальные (синие) линии напряжения (МПа) в зоне влияния выработанного пространства трѐх выемочных участков, фрагмент рис. 2

По результатам анализа вертикальных и горизонтальных напряжений в массиве горных пород при взаимном влиянии выработанного пространства нескольких соседних выемочных участков, разделѐнных угольными целиками, выделены следующие зоны, в пределах которых следует ожидать снижение механических напряжений и интенсивное разложение газогидратов с выделением свободного метана: 

1. Зона разгрузки (на рис. 2 и 3 Зона 1) подработанных породных слоѐв и угольных пластов. Подтверждением перехода твѐрдых углегазовых растворов в газообразное состояние в этих зонах подтверждается величиной коэффициента дегазации до 0,85 при использовании пробуренных в выработанное пространство с земной поверхности или подземных выработок скважин [5]. 

2. Зона разгрузки (на рис. 2 и 3 Зона 2) надработанных пород в почве отрабатываемого пласта. Интенсивность перехода метана из ТУГР в сорбированное состояние подтверждается на практике периодическими прорывами метана из почвы выработок, что сопровождается разломами пород почвы и повышением концентрации метана. 

3. Зона частичного снижения горизонтальных напряжений в краевых участках отрабатываемого пласта (на рис. 2 и 3 Зона 3), что подтверждается отжимом угля в забое, образованием вывалов пород кровли и увеличением выделения метана. Особенностью этой зоны является деформирование породных слов и угольных пластов по их природным контактам и техногенным трещинам. Под влиянием касательных и знакопеременных нормальных напряжений в этих зонах формируются блоки и кососекущие трещины, по которым происходит миграция метана. 

4. Зона снижения вертикальных напряжений (на рис. 2 и 3 Зона 4), возникающая вследствие расширения подрабатываемых или надрабатываемых угольных пластов. Так как предел прочности угля в 10–15 раз меньше предела прочности при сжатии, то происходит интенсивная дезинтеграция угля и переход метана в свободное состояние согласно диаграмме на рис. 1. 

5. Зона знакопеременных напряжений и деформаций, возникающая под влиянием геологических нарушений, границ геотектонических блоков [21]. 

6. Зона перетока метановоздушной смеси между выработанными пространствами соседних выемочных столбов. Согласно рис. 2 над угольными целиками между соседними выемочными участками возникают зоны растягивающих горизонтальных и больших сжимающих напряжений. Под влиянием знакопеременных напряжений и деформаций, происходит формирование техногенных трещин, по которым метановоздушная смесь мигрирует в выработки отрабатываемого столба. 

Как следует из диаграммы рис. 1 и характера распределения напряжений в массиве горных пород на рис. 2 и 3, в угольных пластах вне зоны влияния горных выработок или геологических нарушений не следует ожидать интенсивного выделения метана, так как все механические напряжения являются сжимающими, то есть снижают пористость угля и интенсивность фильтрации метана, что подтверждается на практике при пластовой дегазации, где коэффициент дегазации в среднем составляет 0,20. 

С целью повышения интенсивности пластовой дегазации с помощью системы скважин некоторые авторы [3, 7, 11, 12] предлагают различные способы дезинтеграции угля и повышения коэффициента фильтрации. В стадии экспериментальной проверки испытываются следующие способы воздействия на массив горных пород: электроимпульсный, периодический плазменноимпульсный, виброволновой, расчленение флюидом, вакуумирование пласта и др. Однако, как показывают расчѐты, приведѐнные в статье [14], при увеличении пористости угольного массива без снижения механических напряжений происходит заполнение пустот газом и повышение давления в угольной матрице. В этом случае необходимо создать поверхность, свободную от механических напряжений, через которую происходит сток метана в горные выработки или скважины. 

Согласно графикам рис. 4 и исследованиям [6] на первом этапе после подключения скважины к дегазационной системе интенсивность дегазации высокая, а через несколько суток плавно снижается. 

Рис. 4. Графики изменения дебита метана из дегазационных скважин при пластовой дегазации, пласт 16, шахта «Абашевская», Кузбасс 

Причинами снижения дебита метана из скважин замедления является разрушение угля и заполнение скважины. На шахте им. С.М. Кирова были проведены опыты по активизации дегазации в окрестности скважин посредством техногенного воздействия на скважины, однако результаты несущественно отличаются от приведѐнных на рис. 4. 

Новые технологические решения по извлечению метана из углепородного массива предложены в статье учѐных Республики Казахстан [17]. Авторы утверждают, что применение нескольких техногенных воздействий на породы через скважины, пробуренные с земной поверхности, не обеспечивает проектного дебита метана. Из 150 скважин в Карагандинском угольном бассейне только одиночные скважины давали приток газа 3– 4 тыс. м³ в сутки. Отмечается высокая трудоѐмкость и энергоѐмкость применения гидравлического разрыва пласта при низкой эффективности способа. Причинами снижения газоотдачи пласта после его гидрорасчленения являются блокирование метана в порах и запирание трещин набухающими глинистыми частицами. 

Таким образом, традиционные способы дегазации угольных пластов, регламентированные действующими документами, не обеспечивают эффективность дегазации пластов выше 0,4.

Поэтому предлагается расширить научные исследования для развития нового направления с целью создания и реализации комбинированных способов поэтапной дегазации с использованием способов снижения механических напряжений в угольной матрице с предварительным увеличением еѐ пористости. 

В связи с изложенным разработана программа исследований, которая включает выполнение следующих видов работ: 

1. Плазменно-импульсное воздействие на угольные пласты через скважины, пробуренные с земной поверхности [22]. В основу технологии положен эффект воздействия на горные породы мощной волны сжатия, возникающей в результате интенсивного расширения плазменного канала, образующегося между специальными электродами. В результате замыкания проводников происходит взрыв, формируется мощная ударная волна, сжимающая и растягивающая окружающую среду. Возникают микротрещины, которые заполняются метаном.
   Этот способ реализуется при проведении заблаговременной дегазации в условиях участка Ерунаковский Восточный шахты «Ерунаковская-VIII» Кузбасса, пробурены четыре вертикальные скважины с поверхности. Глубина вертикальных скважин для рассматриваемых условий – до 700 м. Угольные пласты 48 и 45 средней мощности ленинской свиты (P2ln), с газоносностью около 25 м³/т с.б.м. Планируемые объемы буровых работ показаны в табл 1.
   
   
   Таблица 1. Объемы буровых работ
   

2. Плазменно-импульсное воздействие на угольные пласты через скважины, пробуренные с земной поверхности из подземных выработок. Технология разрабатывается в части возможности применения технических средств в подземных условиях. 

3. Бурение для предварительной пластовой дегазации угольных пластов в контуре планируемых к отработке выемочных столбов длинных (до 1200 м) дегазационных скважин направленного бурения. Способ реализуется в условиях шахт Кузбасса. 

4. Бурение дегазационных скважин по падению пласта с вводом в скважину на всю еѐ глубину полиэтиленовой трубы для осушения скважины и дренажа газа от дна скважины (происходит увеличение скорости движения газовой смеси). 

Реализация комбинированных способов поэтапной дегазации с использованием способов снижения механических напряжений в угольной матрице с предварительным увеличением еѐ пористости позволит увеличить выход метана до 90%. 

Выводы 

По результатам проведѐнного анализа способов и направлений повышения эффективности дегазации углеметановых пластов установлено: 

1. Традиционные способы и средства дегазации, регламентированные действующими нормативными документами, обеспечивают достижение коэффициента дегазации в пределах: 0,03–0,44, в среднем по Кузбассу не более 0,28; при комбинированных способах дегазации с одновременным газоотсосом и пластовой дегазацией – до 0,55; из пробуренных с земной поверхности скважин коэффициент дегазации достигает 0,85. 

2. Перспективным направлением повышения эффективности дегазации углеметановых пластов является развитие теории и практики комбинированной поэтапной дезинтеграции угольной матрицы с целью создания условий перехода метана из гидратного в газообразное состояние посредством снижения механических напряжений в массиве горных пород. 

3. Основными направлениями повышения эффективности дегазации угольных пластов в ближайшие годы являются: плазменноимпульсное воздействие на угольные пласты через скважины, пробуренные с земной поверхности из горных выработок; дегазация угольных пластов через длинные скважины (до 1200 м) с использованием в них полиэтиленовых труб для осушения скважин и дренажа газа от дна скважины. 

Библиографический список 

1. Рубан А. Д. Подготовка и разработка высокогазоносных угольных пластов / А. Д. Рубан, В. Б. Артемьев, В. С. Забурдяев [и др.]. М.: Горная книга, 2010. 500 с. 

2. Проблемы безопасности и новые технологии подземной разработки угольных месторождений [Текст] / В. И. Клишин [и др.]; под ред. Ю. Н. Малышева. Новосибирск: Издательский дом «Новосибирский писатель», 2011. 524 с. 

3. Дегазация газа метана из угольных пластов и вмещающих пород на шахтах Кузбасса. История. Действительность. Будущее // А. В. Ремезов [и др.] Кемерово, 2012. 848 с. 

4. Пучков Л. А. Извлечение метана из угольных пластов / Л. А. Пучков, С. В. Сластунов, К. С. Коликов. М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2002. 383 с. 

5. Родин Р. И. Эффективность дегазации шахт Кузбасса / Р. И. Родин // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. 2011. № 2. С. 116-119. 

6. Плаксин М. С. Газокинетическая реакция углеметанового пласта при создании в нѐм трещин посредством нагнетания флюидов [Текст] / М. С. Плаксин, Р. И. Родин, В. И. Альков // Наукоѐмкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов: сб. науч. ст. Новокузнецк: СибГИУ, 2017. С. 63-67. 

7. Пащенко А. Ф. Плазменно-импульсная технология повышения нефтеотдачи: оценка параметров механического воздействия [Текст] / А. Ф. Пащенко, П. Г. Агеев // Наука и техника в газовой промышленности, 2015. № 3(63). С. 17-26. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ В МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОМ КОМПЛЕКСЕ И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ 130 

8. Манаков А.Ю. Клатратные гидраты при высоких давлениях: структура, состав, свойства [Текст]: автореф. дис. … докт. хим. наук / А. Ю. Манаков; Институт неорг. химии СО РАН. Новосибирск: 2007. 33 с. 

9. Shuqiang G. Investigation of Interactions between Gas Hydrates and Several Flow Assurance Elements [Текст] / G. Shuqiang // Energy and Fuels, 22 (5), 3150-3153, 2008. 

10. Макогон Ю. Ф. Газовые гидраты, предупреждение их образования и использование [Текст] / Ю. Ф. Макогон. М.: Недра, 1985. 232 с. 

11. Плаксин М. С. Особенности развития динамических газопроявлений при проведении подготовительной выработки [Текст] / М. С. Плаксин, А. А. Рябцев // Наукоѐмкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов: сб. науч. ст. Новокузнецк : СибГИУ, 2017. С. 67-73. 

12. Метан и выбросоопасность угольных пластов [Текст] / С. А. Шепелева, В. В. Дырдин, Т. Д. Ким, В. Г. Смирнов, Т. Н. Гвоздкова. Томск: Изд-во Томского ун-та, 2015. 180 с. 

13. Эттингер И. Л. Растворы метана в угольных пластах [Текст] / И. Л. Эттингер // Химия твердого тела. 1984. № 4. С. 28-35. 

14. Журавков М. А. Газодинамическая реакция горных пород на проведение подготовительных выработок / М. А. Журавков, Г. Я. Полевщиков // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. 2011. № 2. С.39-52. 

15. Каркашадзе Г. Г. Интенсификация дегазации угольного пласта на основе учѐта его геомеханического состояния в условиях нестационарных механических и сорбционных деформаций / Г.Г. Каркашадзе, С.В. Сластунов, Г.П. Ермак, Е.В. Мазаник // Уголь. 2015. №11. С. 62-65. 

16. Беспятов Г.А. Синергетика выбросоопасной горной среды [Текст] / Г.А. Беспятов, В.Н. Вылегжанин, С.С. Золотых. Новосибирск: Наука, 1996. 191 с. 

17. Вареха Ж. П. Технологические решения по извлечению метана из углепородного массива / Ж. П. Вареха, С. Н. Лис // Горный журнал Казахстана. 2016. №2. С. 6-9. 

18. Dickens G. R., O'Neil J. R., Rea D. K., and Owen R. M. Dissociation of oceanic methane hydrate as a cause of the carbon isotope excursion at the end of the Paleocene. Paleoceanography, 1995, No. 10, Pp. 965-971. 

19. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Инструкция по предупреждению эндогенных пожаров и безопасному ведению горных работ на пластах угля, склонного к самовозгоранию». М.: ЗАО «Научно-технический центр исследования проблем промышленной безопасности», 2016. Сер. 05. Вып. 46. 52 с. 

20. Методика прогнозирования с использованием геофизических методов исследований и выбора мер по снижению эндогенной пожароопасности наклонных вскрывающих выработок, проводимых по угольному пласту / Кол. авторов / Кемерово: НЦ ВостНИИ, 2007. 34 с. 

21. Петухов И. М. Геодинамика недр [Текст] / И. М. Петухов, И. М. Батугина. М.: Недра коммюникейшн ЛТД, 1999. 256 с. 22. Агеев П. Г. Плазменно-импульсное воздействие – инновационный подход к добыче традиционных и нетрадиционный подход к добыче традиционных и нетрадиционных углеводородов и заблаговременной дегазации угольных пластов / П. Г. Агеев, Н. П. Агеев, Д. П. Агеев, А. С. Десяткин, А. Ф. Пащенко // Бурение и нефть. 2016. № 7-8. С. 34-40.